• 文章导读

肠道菌群失调是结直肠癌 (Colorectal Cancer, CRC) 发生发展的核心诱因，但宿主调控菌群的代谢底层逻辑尚未完全阐明。华中农业大学信息学院研究团队在 Metabolites 期刊发表研究，通过构建宿主-微生物共代谢网络模型，系统筛选出17种调控细菌生物量的关键代谢物，并揭示了宿主调节代谢物供应以重塑肠道微环境的因果机制。该发现完善了宿主遗传背景调节微生物演化的理论框架，并为CRC的代谢干预与精准筛查提供了新的潜在靶点。

图形摘要

• 主要内容

研究背景：解析结直肠癌“宿主-菌群”机制的必要性与挑战

探究宿主遗传通过调节底物利用度塑造菌群结构的规律，对揭示CRC病理机制具有重要意义。然而，肠道代谢交互过程高度动态且复杂，现有研究多侧重于统计层面的关联分析，难以深入解析底层的代谢调控路径。针对这一挑战，研究团队旨在通过系统建模构建跨物种共代谢分析模型，为深入阐明宿主-微生物代谢交互机制提供有效工具。

核心工作：构建宿主-微生物共代谢网络

团队整合了宿主基因组尺度代谢模型 (GEM) 与12种CRC核心细菌模型。分析显示，在构建的共代谢网络中，宿主在肠道代谢流中占据主导地位，证实了宿主代谢状态是塑造微生物生存环境的核心驱动力。此外，共代谢物分布呈现明显的层级特征，其中乙酸根、氯离子等7种成分被识别为核心共代谢因子，普遍存在于所有菌株模型中。

共代谢网络模型腔内的代谢物信息

• 关键发现：关键共代谢物对细菌生长的调控机制

通过通量采样与差异代谢分析，研究模拟了宿主代谢底物供应缺失的状况，从海量代谢物中辨识并锁定了17种关键共代谢物 (如乙酸盐、琥珀酸盐、锌离子和铁离子等)。其中13种成分已被既往文献证实与CRC临床进展相关，验证了模型预测的可靠性。分析显示，关键代谢物的供应受限会导致相关细菌的生物量通量显著下降，甚至导致生长停滞。

前六种细菌菌株的生物量反应通量比较分析

后六种细菌菌株的生物量反应通量比较分析

子系统富集分析进一步揭示了不同门类细菌的代谢响应特异性：厚壁菌门对代谢改变的响应主要集中在甘油磷脂代谢通路上，而拟杆菌门则主要表现为氨基酸与维生素代谢路径的波动。此外，叶酸代谢被识别为多种细菌共有的高度敏感子系统。

代谢差异分析中显著改变的代谢子系统

• 研究总结

本研究通过构建宿主-肠道微生物共代谢网络模型，系统阐明了宿主通过调节关键代谢物可用性进而重塑菌群结构的机制。研究识别出的17种关键共代谢物既是细菌生长的必需底物，也是影响肿瘤微环境的重要信号分子。这一成果完善了宿主遗传背景调控肠道微生物演化的理论框架，为开发结直肠癌早期筛查标志物及精准营养干预策略提供了科学依据。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2218-1989/16/1/64

• Metabolites 期刊介绍

主编：Amedeo Lonardo, Azienda Ospedaliero-Universitaria, Italy

期刊致力于为研究代谢物与代谢相关的学者提供一个快速发表的平台，内容涵盖代谢组学、代谢生物化学、计算和系统生物学、生物技术和医学领域相关的代谢物以及代谢方面的研究。期刊在JCR数据库中位于Biochemistry and Molecular Biology分区Q2，5-Year Impact Factor为4.1。 

2024 Impact Factor：3.7

2024 CiteScore：6.9

Time to First Decision：16.7 Days

Acceptance to Publication：3.6 Days

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/metabolites